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Laplace Transform

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Laplace Transform

Laplace Transform · Frequency Shift · Step Input · Convolution

1. 문제 10

시간함수

f(t) = e-t cos 3t

의 Laplace Transform F(s)를 구하는 문제이다.

2. cos 함수의 Laplace Transform

NeoStudio 필기에서는 먼저 다음 기본 변환쌍을 사용한다.

cos ωt ↔ s / (s² + ω²)

여기서 ω = 3이다.

cos 3t ↔ s / (s² + 3²)

3. Frequency Shift 성질

필기에서는 e-λt가 곱해진 경우 s를 s+λ로 이동시키는 성질을 사용한다.

f(t) ↔ F(s)
e-λt f(t) ↔ F(s+λ)

이 문제에서는

λ = 1

4. NeoStudio 필기의 계산

원본 필기에는 다음과 같이 계산되어 있다.

e-t cos 3t → s / {(s+1)² + 3²}
= s / (s² + 2s + 10)
원본 필기는 Frequency Shift 성질을 F(s+1)로 설명하면서도, 최종 분자의 s는 s+1로 바꾸지 않았다. 따라서 위 식은 NeoStudio 원본을 그대로 보존한 것이다. 원본 내부에서 성질 설명과 최종 계산 사이에 불일치가 있다.

5. 원본 성질을 그대로 적용한 관계

필기에 적힌 Shift 성질

e-λtf(t) ↔ F(s+λ)

만을 그대로 대입하면 cos 3t의 F(s)에 있는 모든 s를 s+1로 치환하는 구조가 된다.

      cos 3t
         │
         ▼
      F(s)
         │
         │  e^(-t) 곱함
         ▼
      F(s+1)
    
이 절은 새로운 외부 공식을 추가한 것이 아니라, NeoStudio 페이지 자체에 적힌 F(s+λ) 관계와 최종식의 차이를 드러내기 위한 것이다.

6. 문제 11

단위계단 입력함수 u(t)에 대하여

G(s) = 1 / (s+1)

로 표현되는 선형시스템의 출력 y(t)를 Convolution으로 구하는 문제이다.

Y(s) = {1/(s+1)} U(s)

7. Unit Step Input

NeoStudio 필기에서는 단위계단 입력을 다음과 같이 둔다.

u(t) = Step Input
U(s) = 1/s

8. 전달함수

G(s) = 1/(s+1)

따라서

G(s)U(s) = 1/(s+1) · 1/s

9. Impulse Response

NeoStudio 필기에서는 G(s)의 역 Laplace Transform을 다음과 같이 사용한다.

L-1 { 1/(s+1) } = e-t

단위계단 입력은 시간영역에서 1이므로 출력은 두 함수의 Convolution으로 표현한다.

y(t) = e-t * 1

10. Convolution

필기의 계산은 다음 흐름이다.

e-t * 1 = ∫0t e-τdτ
= [ -e-τ ]0t
= -e-t – (-1)
= 1 – e-t

11. 출력 응답

y(t) = 1 – e-t
      Step Input
          │
          ▼
      U(s) = 1/s
          │
          ▼
      G(s) = 1/(s+1)
          │
          ▼
      g(t) = e^(-t)
          │
          ▼
      y(t) = g(t) * u(t)
          │
          ▼
      ∫₀ᵗ e^(-τ)dτ
          │
          ▼
      y(t) = 1 - e^(-t)
    
Laplace 영역의 곱은 시간영역에서는 Convolution으로 연결된다.

12. 두 문제의 연결

문제 핵심 성질 NeoStudio 내용
10번 Frequency Shift e-λtf(t) ↔ F(s+λ)
11번 Convolution G(s)U(s) ↔ g(t)*u(t)

13. NeoStudio PDF 전체 흐름

      [문제 10]

      cos 3t
         │
         ▼
      s/(s²+3²)
         │
         │ × e^(-t)
         ▼
      Frequency Shift
         │
         ▼
       F(s+1)


      [문제 11]

      U(s)=1/s
         │
         +
         │
      G(s)=1/(s+1)
         │
         ▼
      Time Domain
         │
         ▼
      e^(-t) * 1
         │
         ▼
      ∫₀ᵗe^(-τ)dτ
         │
         ▼
      1-e^(-t)
    

14. 이미지 및 NeoStudio 핵심 정리

항목 원본 내용
cos 변환 s/(s²+ω²)
Frequency Shift e-λtf(t) → F(s+λ)
λ 1
Unit Step U(s)=1/s
System G(s)=1/(s+1)
Impulse Response e-t
Convolution e-t*1
출력 1-e-t
이 HTML은 페이지 본문 설명을 사용하지 않고, 일반 문제 이미지 1장과 NeoStudio PDF 1개(1페이지)만 OCR/시각 판독하여 작성했다. 일반 이미지에는 문제 10번과 11번이 제시되어 있고, NeoStudio PDF에는 두 문제의 손글씨 풀이가 기록되어 있다. 문제 10의 손글씨 풀이에서는 e^(-λt)f(t) ↔ F(s+λ) 성질을 적었지만, 최종식의 분자에는 s+1이 아니라 s를 사용하였다. 이 불일치는 임의로 수정하지 않고 원본식과 원본 성질을 함께 보존하여 표시하였다. 문제 11의 Convolution 계산은 원본에서 최종적으로 y(t)=1-e^(-t)로 정리되어 있다.
Laplace Transform, Frequency Shift, First Shifting Theorem, cos, Unit Step, Step Input, Transfer Function, Convolution, Impulse Response, Linear System, Time Response
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